（材料物理与化学专业论文）soi+resurf原理研究及soi+ldmos研制.pdf

s o ir e s u r f 原理研究及 s o i l d m o s 研制 摘要 随着集成电路技术的不断发展，功率器件的研究也受到广泛关注，新型功率 器件不断涌现，特别是由于m o s 栅功率器件的出现，引发了功率集成电路( p i c s ： p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 的概念，即将功率器件和逻辑控制电路集成在单一芯片 上。这对于提高电子系统的可靠性和缩小系统体积是有益的。 高电压的功率器件和低电压的集成电路器件之间的隔离问题是p i c s 研究的 重点之一。s o i ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 技术以其理想的介质隔离性能，相对简单的 隔离工艺，可以在p i c s 中以较简单的工艺实现功率器件和逻辑电路之间的完全 电隔离。s o ip i c s 不仅较一般介质隔离p i c s 在工艺上更为优越，而且与结隔离 p i c s 和自隔离p i c s 相比具有更好的隔离性能。而且，s o lc m o s 技术也以更小 的结面积、更好的亚阂值特性等优点，有望成为高速、低功耗和高可靠集成电路 的主流技术。因此，随着s o i 材料制各技术的日益成熟，s o ip i c s 将成为重要 的p i c s 。 s o i 功率器件s o ip i c s 的重要组成部分，其性能和工艺兼容性等直接影响 着s o ip i c s 的性能。国外许多科研机构与公司都在致力于此，许多s o l 功率器 件已经开始走向实用化。但是目前国内在s o i 器件方面的研究主要集中在抗辐 射方面，而在s o l 功率器件方面尚未进行深入的探索。鉴于此，本文开展了s o i 功率器件的研究工作。主要包括： 首先，基于二维泊松方程的求解，给出了s o i r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c e f i e l d ) 结构的解析物理模型。计算了漂移区顶层硅中表面电势和电场分布与器件参数的 关系，合理解释了表面横向电场呈u 形分布的原因。根据解析模型，研究了各 个参数对于器件击穿电压的影响，解释了击穿电压随漂移区长度饱和的现象。解 析结果与m e d i c i 数值模拟和实验结果相符。 其次，利用共享电荷原理，更直观地解释了s o ir e s u r f 的内在物理机制， 将其归结为水平p n 结与垂直类m o s 电容结构的电荷耦合，引入参数五表征 中圜科学院上海微系统与信息技术研究所博士学往论文 i s o ir e s u r f 原理研究及s 0 1l d b l 0 s 研制 r e s u r f 原理。该方法的结果与m e d i c i 数值模拟和实验结果也很相符。 另外，针对s o l 功率器件严重的自热效应，提出了新的图形化s o l 结构。 与常规c m o s 的浅沟槽隔离技术相结合，在l d m o s 的源端附近开出导热通道。 通过模拟可以发现，该结构不仅能克服自热效应，而且能有效地抑制浮体效应， 可以省却体接触步骤。图形化s o 结构保留了s o l 结构的优点，具有较小的结 面积和较小的泄漏电流，同样适用与高温环境。 根据上述研究结果，结合碳纳米管场发射应用的要求，采用s i m o x 材料进 行了版图和工艺流程设计，进行流片实验，对器件进行了测试和分析，成功制备 了关态击穿电压5 0 v 和开态击穿电压2 0 v 的s o i l d m o s 。 最后，针对目前叠层栅介质的t d d b 测试中漏电流的计算，用等效势垒的 方法替代传统的w k b 方法，清楚直观的描述了电子在叠层栅介质中的输运行为， 对于预测和解释叠层栅介质失效机理提供了理论依据。 关键词：s o ip i c s ，功率器件，r e s u r f 原理，t d d b ，等效势垒 1 1中圜科举院上海微系统与信息扶术研宽所博士学住论文 a b s t r a c t s t u d yo ns o ir e s u r fp r i n c i p l ea n d f a b r i c a t i o no fs o il d m o s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，m a n yn o v e lp o w e rd e v i c e sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l ya n di n t e n s i v e l y w i t ht h ei n v e n t i o no fm o s - c o n t r o l l e d p o w e rd e v i c e ，t h ec o n c e p to fp i c s ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) h a sb e e np r o p o s e d i n o r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t ya n dr e d u c ev o l u m e ，p i c si n t e g r a t e sp o w e rd e v i c ea n d l o g i c a lc i r c u i t so nt h es i n g l ec h i p t h es u c c e s so fp i c si sm a i n l yd e p e n d e do nt h ei s o l a t i o nb e t w e e nh i g hv o l t a g e d e v i c ea n dl o wv o r a g ec i r c u i t s d u et oi d e a ld i e l e c t r i ci s o l a t i o na n ds i m p l ep r o c e s s ， s o l ( s i l i c o n o n - i n s u l a t o r ) t e c h n o l o g yb e c a m ep r o m i s i n gf o rp i c s m e a n w h i l e ，s o i c m o sw i t hi n h e r e n ta d v a n t a g e si sa n o t h e rm a j o rt e c h n o l o g yf o rn e x t - g e n e r a t i o n v l s i a st h ef u n d a m e n to fs o ip i c s ，s o lp o w e rd e v i c e sh a v eb e e na t t r a c t e dm o r e a t t e n t i o nr e c e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o lr e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) p r i n c i p l ei ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y f i r s t b 船e do nt h es o l u t i o no f p o i s o ne q u a t i o ni nd r i f tr e g i o n , t h ea n a l y t i c a lm o d e l s f o rt h es u r f a c ep o t e n t i a l ，e l e c t r i cf i e l da n db r e a k d o w nv o l t a g ea r ed e v e l o p e d t h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h ep o t e n t i a l ，e l e c t r i cf i e l da n dd e v i c ep a r a m e t e r sa l ei n v e s t i g a t e d i t i sr e a s o n a b l et oe x p l a i nt h eu s h a p eo f p o t e n t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h es a t u r a t i o no f t h e b r e a k d o w nv o l t a g e t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sc o i n c i d ew e l lw i mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a n de x p e r i m e n t a ld a t a s e c o n d ，s o lr e s u r fi sp h y s i c a l l ye x p l a i n e db yc h a r g e s h a r i n gc o n c e p t i t c o n c l u d e dt h a tt h ec o u p l i n go fc h a r g e si nt h el a t e r a lp nj u n c t i o na n dv e r t i c a ld e p l e t i o n i m p m v e dt h eb l o c kc a p a b i l i t yo fs o lr e s u r fs t r u c t u r e t h e 丑p a r a m e t e rc o u l db e u s e dt oc h a r a c t e r i z es o ir e s u r fp r i n c i p l e t h i sm o d e lc o u l da l s of i tw e l lw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t a 中国科擘院上海微系统与信息技术研究所博士擘位论文i s o ir e s u r f 原理研究夏s o ll d m o $ 研制 t h i r d ，an o v e lp a r t i a ls o il d m o si sp r o p o s e d b a s e do ns t i ( s h a l l o wt r e n c h i s o l a t i o n ) ，t h i s s t r u c t u r eh a saw i n d o wb e s i d et h es o u r c et oe x t r a c t s e l f - h e a t i n g e f f i c i e n t l y m o r e o v e r ，t h i sw i n d o wc o u l dp r e v e mh o l es t a c k i n gi nt h ec h a n n e la n d e l i m i n a t ef l o a t i n gb o d y , a l t h o u g ht h e r ei sn ob o d yc o n t a c ti nt h i ss t r u c t u r e b a s e do nt h e s es t u d i e s ，s o il d m o si ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e do ns i m o xw a f e r ( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t a t i o no fo x y g e n ) t h ed e v i c ec o u l ds u s t a i nt h eo f f - s t a t e b r e a k d o w nv o l t a g eo f5 0 va n do n s t a t eb r e a k d o w nv o l t a g eo f2 0 vr e s p e c t i v e l y ， w h i c hi ss u i t a b l et oc o n t r o lt h ef i e l de m i s s i o no f e a r b o nn a n o t u b e f i n a l l y , as i m p l em e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h es t r e s sc u r r e n ti na c c e l e r a t e dt e s to f t i m e d e p e n d e n td i e l e c t r i cb r e a k d o w n ( t d d b ) o fs t a c k e dd i e l e c t r i c si sp r e s e n t e d b y r e p l a c i n ga ne n e r g yb a r r i e ro fa r b i t r a r ys h a p ew i t l las e r i e so fr e c t a n g u l a re n e r g y b a r r i e r sa n dr e s o l v i n gr i g o r o u s l yt h es c h r f d i n g e re q u a t i o ni ne a c hr e g i o n s ，i n t e r f a c e s a n dv a r i a t i o n so fe l e c t r o ne f f e c t i v em a s s e si nd i f f e r e n td i e l e c t r i c sh a v eb e e na n a l y z e d o u rc a l c u l a t i o n sf i te x p e r i m e n t a ld a t aw e l l t h em e t h o di sa p p l i c a b l ei nt h i sr e l i a b i l i t y s t u d ya i m e da tf a i l u r em e c h a n i s md e t e c t i o na n dp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：s o lp i c s ，p o w e rd e v i c e ，r e s u r f , t d d b ，e f f e c t i v ep o t e n t i a lb a r r i e r i v 中固科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 符号表 符号表 下面是本论文中用到的符号，但不包括在一些特殊章节中偶尔使用的符号。 符号 c b q g 最 毋 上 物理意义 单位面积的埋氧层电容 单位面积的场氧层电容 单位面积的栅氧化层电容 单位面积的顶层硅电容 垂直于漂移区方向的电场 平行于漂移区方向的电场 漂移区长度 小信号跨导 漏端电流 p 型硅中杂质( 受主) 浓度 n 型硅中杂质( 施主) 浓度 本征载流子浓度 电子电量 绝对温度 埋氧层厚度 场氧层厚度 顶层硅厚度 漏源电压 平带电压 栅源电压 p n 结自建势 表面电压 阈值电压 电子在p 型中性区中的寿命 二氧化硅的介电常数 硅的介电常数 电子迁移率 ( n 或p 型) 硅中的费米势 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 单位 f l c m 2 f c m 2 f c m 2 f c m 2 v ，c m v c m um k n a c m 。 c m 。 c m 3 c k n l n m l l i l l v v v v v v s f c m f ，c m c m 2 ( v s 、 e v t磊如肌胁珥g r“驴幻kh“蚧 缩略词 b e s o i b o x c m o s c m p c v d d i d t i j i l d m o s f e t l o c o s m o s f e t p i c s p s o i r e s u r f r f s i s i m o x s o i s 1 1 t d d b 缩略词 b o n da n de t c h b a c ks i l i c o n - o n - i n s u l a t o r b u r i e do x i d e c o m p l e m e n t a r ym e t a l - 0 x i d e - s e m i c o n d u c t o r c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n d i e l e c t r i ei s o l a t i o n d e e pt r e n c hi s o l a t i o n j u n c t i o ni s o l a t i o n l a t e r a ld o u b l e d i f l u s e dm e t a l 0 x i d e - s e m i c o n d u c t o r f i e l d e f i e c tt r a n s i s t o r l o c a l i z e do x i d a t i o no fs i l i c o n m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e 自f e c tt r a n s i s t o r p o w e ri m e g r a t e dc i r c u i t s p a r t i a ls i l i c o n - o n - i n s u l a t o r r e d u c e ds u r f a c ef i e l d r a d i of r e q u e n c y s e l f - i s o l a t i o n s e p a r a t i o nb yi m p l a n t a t i o no f o x y g e n s i l i c o n o n - - i n s u l a t o r s h a l l o wt r e n c hi s o l a t i o n t i m ed e p e n d e n td i e l e e t r i cb r e a k d o w n v i i i中田科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章 第一章绪论 近年来，随着注氧隔离( s i m o x ：s e p a r a t i o nb yi m p l m l t e do x y g e n ) 、硅片键 合与背面腐蚀( b e s o i ：b o n da n de l c h b a c ks 0 1 ) 以及最近发展起来的智能剥离 ( s m a r t c u t ) 等s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 材料制各技术【1 3 】，以及s o l 器件技术和 制造工艺的不断发展，高速、低功耗、高可靠性的数字s o l 集成电路已经开始 从实验室走向市场。1 9 9 8 年8 月3 日，美国i b m 公司宣布在世界上首次利用s o l 技术成功研制出微处理器【4 l 。与体硅c m o s 技术相比，s o i 技术使芯片的性能提 高了3 5 。 与此同时，s o l 技术在功率集成电路领域的应用，即s o i 功率集成电路，也 逐步得到学者的广泛关注，并进行了深入的研究。 1 1 功率集成电路的发展 在数字集成电路按摩尔定律( m o o r e sl a w ) 飞速前进时，功率半导体器件也得 到了很大的发展，绝缘栅双极晶体管( i g b t ：i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 、s i c 功率器件、m o s 栅控晶闸管( m c t ：m o s - c o m r o l l e dt h y r i s t o r ) 等新型功率器件相 继问世【5 - 8 。 功率半导体器件的性能对功率电子系统性能的改善起着重要的作用。在二十 世纪五十年代由于引入双极功率晶体管，功率电子系统发生了从以电子管为基础 向以半导体器件为基础的转变。在此后的二十多年里，器件在功率处理能力和开 关速度方面的改善对功率电子系统尺寸的缩小和价格的降低起到了决定性的作 用。但是，由于这些电流控制型双极器件需要较大的输入功率，因此其控制电 路因需要用分立元件而变得复杂，这阻碍了功率电子系统尺寸和价格的进一步降 低。 随着c m o s 集成电路的发明，采用新型m o s 功率器件在上世纪7 0 年代成 为可能。由于m o s f e t 是一种电压控制型器件，能用很小的稳态电流输入实现 器件的开关，控制电路可同时实现集成。所以基于m o s f e t 的功率电子系统的 复杂度大大提高，尺寸也大为减小。同时，因为m o s f e t 是单极型器件，不受 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 s o 】r e s u r f 原理研究及s o il d m o s 研制 少数载流予存储效应的影响，与存储电荷相关的延迟大大减小，相比双极型器件 有较高的开关速度和较高的截至频率。 由于市场对于电子系统的可靠性、功耗、工作速度、以及体积大小等提出了 更高的要求，出现了将功率半导体器件、逻辑控制电路和保护电路等集成在单一 芯片上的功率集成电路( p 1 c s ：p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 1 9 - 1 2 1 。 目前功率集成电路技术主要包括隔离技术、结终端技术、工艺兼容技术、逻 辑电路和驱动电路技术。这些技术是各种集成电路或功率器件的基础技术。要实 际地做出质量可靠、性能优异的功率集成电路芯片其重点就在于如何将刑高压的 功率器件与低压的c m o s 电路的工艺很好地兼容起来，在材料的选择、杂质浓 度的调整、结深的控制、杂质分布的确定等方面如何互相兼顾和优化，以及对高 压功率器件的结构如何进行相应的调整等等。 而且设计功率集成电路除了要考虑需耐压特殊性之外，更为关键的是还要考 虑高电压的功率器件和低电压的集成电路器件之间的隔离问题。要使用适宜的隔 离方法保证与集成电路工艺的兼容，才能使得功率集成电路成本下降。目前p i c s 采用的隔离技术主要有：自隔离( s i ：s e l f - - i s o l a t i o n ) 、结隔离( j i ：j u n c t i o n i s o l a t i o n ) 、深沟槽隔离( d t i ：d e e pt r e n c hi s o l a t i o n ) s 1 1 介质隔离( d i ：d i e l e c t r i c i s o l a t i o n ) ，如图1 1 所示。 其中自隔离技术采用的工艺最为简单，但是适用性不够，应用范围有限。而 且高温时泄漏电流较大，更主要的局限在于对于同电源和偏嚣等相关的寄生效应 过于敏感。这些都限制了自隔离技术的应用。 由于成本适中，适用范围广，结隔离技术是目前商品化p i c s 采用的主流技 术。国际上许多公司( s g s t 1 1 0 m s o n 、p h i l i p s 、s i e m e n s 等) 均生产采用结隔离技 术的p i c s 产品。 s g s - - t h o m s o n 公司已经开发了五代p i c s 产品，均采用此技术。产品包括 硬盘驱动电路、智能充电器电路、镇流器电路等，设计线宽也从4 l a m 减小到0 6 um 。复杂程度和功能不断提高。目前己可在p i c s 中嵌入d s p ，成为面向系统 的p i c s ( s y s t e m - - o r i e n t e dp i c s ) o ”j 。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章 图1 1p 1 c s 隔离技术示意图： ( a ) n n n ( j i ) ( b ) 自隔离( s 1 ) ( c ) 深沟槽隔离( d t i )( d ) 介质隔离( d i ) 中圆科学院上海微系统与信息技术研宽所博士学位论文 s o lr e s u r f 原理研究及s o ll i ) m o s 研制 深沟槽隔离主要是m o t o r o l a 公司开发的s m a r t m o s 技术 1 5 】，即先在衬底 上外延，然后刻蚀出沟槽，氧化沟槽壁，再填入多晶硅。其优势在于较好抑止各 种寄生效应的同时大大减小了芯片面积，提高集成度。这种技术结合o 2 5pm 的 c m o s 工艺流程可以制备出涮压为7 0 9 0 v 的p i c s 。 与已有大量商品化产品的结隔离p i c s 相比，由于介质隔离衬底材料成本过 高，工艺复杂，目前只有e p i c ( e p i t a x i a lp a s s i v a t e di c ) 的介质隔离技术曾用于批 量生产。但是同结隔离相比，介质隔离可以实现不同电路和功率器件之间的完全 隔离，隔绝器件向衬底注入电子，彻底消除串扰，从而能够采用m o s 栅晶闸管 器件，简化设计，方便集成不同的电路和器件；同时，介质隔离的泄漏电流很小， 在高温下仍能保持良好的性能；另外介质隔离的隔离区面积也较结隔离小，大大 减小了芯片面积，从而减小了寄生电容。 介质隔离的这些优势使得对其的研究一直没有间断。目前以s m a r t - - c u t 、 s i m o x 等为代表的s o l 材料制备技术日益成熟，成本不断降低。据预测到2 0 0 5 年，s o i 圆片的年产量可达到5 0 0 ，0 0 0 片。这表明s o i 技术可成为介质隔离p i c s 的技术选择，即利用s o l 材料开发p i c s ，也就是s o ip i c s l l 。 s o ip i c s 不仅具有一般介质隔离p i c s 的所有特点，而且其隔离工艺相对更 为简单，隔离区面积更小，封装密度更高。显然，埋氧层提供了良好的垂直方向 上的介质隔离。而在器件之间的横向隔离，s o ip i c s 主要有三种方法，如图1 2 所示。 根据顶层硅的厚度，s o ip i c s 可以分为两种，一是顶层硅厚度只有几个微米 或更小的薄膜s o lp i c s ，另一种是顶层硅厚度为几十微米的厚膜s o lp i c s 。较 厚的顶层硅有利于实现耐压较高，电流较大的功率器件，但是不易使用相对简单 的干法刻蚀工艺来实现隔离，增大了隔离工艺难度，同时也增大了隔离区面积。 而对于薄膜s o lp i c s 的研究表明，其更适应高温工作【1 7 1 。更易满足降低表面电 场原理( r e s u r f ：r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) ，并且由于顶层硅只有几个微米，甚至 更小，使用干法刻蚀沟槽( t r e n c h ) i 艺，甚至局部氧化工艺( l o c o s ：l o c a l i z e d o x i d a t i o no f s i l i c o n ) 就可以很方便地实现器件的纵向隔离，而且隔离区面积较小。 同时，较薄的顶层硅也更易集成逻辑控制电路。 目前s o l p i c s 已成为研究的热点。在1 9 9 8 年，f u j i 电子公司和n e c 分别发 中囡科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章 布了用于等离子平板显示( p d p ：p l a s m ad i s p l a yp a l l e l ) 驱动的耐压2 5 0 v 的s o l p i c s 1 8 - 1 9 1 。其中，n e c 公司采用的是顶层硅厚度为5pm 的s o i 材料，采用o 5 pm 的c m o s 工艺，芯片面积较采用结隔离技术减小了4 0 。 d e v k e ，l 雠兰o e v 沁z 黧囊萋麟 ： ： ： ( a ) d e v i c e lt r e n c hd e v i c e2 ： ： ： ：vlce ：=： ：=： ：-：-：-：-：-：-：-：-：-：_ - _ t_- - - ，_ - 。-_-_-， 中圜科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 s o ir e s u r f 原理研究及s o ll d m 0 $ 研制 用埋氧和顶层硅厚度分别为2um 和1 0um 的s o l 材料制造了击穿电压为2 0 0 v 的p i c s 和3 3 0 v 的l i g b t ( l a t e r a li g b t ) ，并进行了可靠性实验，包括h t r b ( h i g h t e m p e r a t u r er e v e r s eb i a s ) ( 2 0 0 v , 1 5 0 。c ，1 0 0 0 h ) 、温度循环( 一5 0o c 一1 5 0 。c l h ， 1 0 0 c y c l e s ) g le s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h m g e ) 。实验结果是令人满意的。 1 , 2s 0 1 功率器件的发展现状 s 0 1 材料有别于体硅材料，如何利用s o i 材料，实现高蒯压，低导通电阻， 并且与常规c m o s 工艺兼容的s o i 器件是研究开发的重点。s o l 功率器件在结 构上大多是横向功率器件，其设计原则和结构大多源自体硅功率器件，并结合 s o i 特点进行改进。研究主要包括耐压结构研究，以及与之对应的器件的研究。 1 2 1r e s u r f 原理 2 0 0 v 1 5 0 v 1 0 0 v 7 0 v 5 0 v 图1 3r e s u r f 示意图：( a ) j ir e s u r f ( b ) s o lr e s u r f 6中霹科擘 党上海微乐统与桂息技术研究所博士学位论文 第一章 与横向体硅功率器件类似，s o i 功率器件主要利用r e s u r f 原理获得较高 的关态击穿电压。r e s u r f 原理首先由a p p l e s 提出并应用于结隔离器件2 2 1 ， h u m l g 和b a l i g a 在1 9 9 1 年将其应用于s o i 器件f 2 3 1 。r e s u r f 原理利用器件中电 场分布的二维效应，当垂直方向的p 衬底n 外延结附近电场尚未达到临界电场 时，由于其和横向1 1 外延p 阱结的作用，使得整个漂移区已经完全耗尽2 4 1 。下 图清楚地显示了在体硅结隔离器件和s o i 功率器件中的r e s u r f 原理。 对于体硅结隔离器件而言，当k 极电压升高时，由于衬底掺杂浓度较小， 在垂直方向上耗尽层主要向衬底扩展，即衬底承受了大部分外加电压；同时n 外延p 阱结也是反向偏置，其耗尽层则向n 外延区水平扩展。通过优化设计n 外延区的掺杂浓度与厚度，使得r l 外延区的耗尽是由于垂直方向反向偏置的n 外延p 衬底结造成的，而不是由于横向反向偏置的np f 延p 阱结造成的。这样就 使得r l 外延p 阱结附近的电场尚未达到临界电场时，整个n 外延区就完全耗尽。 并且由图可以看出此时外延区的电势分布很均匀，降低了表面电场。在这种情况 下雪崩击穿不再发生在表面而转移到r l 外延p 衬底结。这时器件的关态击穿电压 取决于r l 外延p 衬底结的击穿电压【2 5 1 ： 矿 ( 1 1 ) 其中e ，是临界电场，它由下式决定 e 。= 9 5 1 0 2 孑 ( 1 2 ) 上式中的n 。，称为外延衬底结的有效掺杂浓度，它可以表示为 = 等瓷 s ， 其中n 。和n 。分别为外延层和衬底的杂质浓度。 从式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 可知，从提高外延衬底结击穿电压占p 乙。角度，外延层 杂质浓度取得越小越好，但是n 。，越小，器件的导通电阻就越大a 已经有许多研 究者利用解析模型对此进行了优化。合理选择参数，r e s u r f 原理能使在r l 外延 层的横向压降为1 0 v um 。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 s o lr e s u r f 原理研究及s 0 1l d m o s 研制 对于s o i 隔离技术而言，情况则有所不同。当k 极电压升高时，n 漂移区p 阱结反向偏置，同时在埋氧层上界面形成空穴反型层，但这时两个耗尽区并未相 连。当k 极电压继续增加时，n 漂移区p 阱结耗尽区扩展以至和底部的耗尽区相 连，反型层中的空穴将被强电场扫出而逐步使反型层消失。此时，在n 漂移区这 种s o i 结构就和体硅结构相类似了。进一步提高k 极电压将使n 漂移区完全耗 尽。 对于体硅结构而言，底部耗尽区是n 外延区与轻掺杂的衬底形成的p n 结产 生的，轻掺杂衬底承受了高的反向电压；而s o l 结构中底部耗尽层是由埋氧层 和n 漂移区产生的，承受高电压的是埋氧层。 1 2 2s 0 1 耐压结构 虽然s o l 结构中n 漂移区也能完全耗尽，但是其表面电势的分布不如体硅 结构中均匀，表面电场较大，因此s o i 结构的耐压值较低。为了提高s o l 结构 的击穿电压，根据二维数值模拟和实验，己经提出了多种s o l 耐压结构。 ( 1 ) 漂移区线性掺杂 m e r c h a n t 等采用漂移区掺杂浓度沿水平方向线性变化，而垂直方向浓度不 变，从而改善了表面电场的分布，提高击穿电压【2 6 | 2 7 1 。但是显然这样的杂质分布 在工艺上很难控制。 c m 工um 图1 4 漂移区线性掺杂 ( 2 ) s i p o s ( s e m i i n s u l a t o rp o l y s i i i c o n l 结构 此结构在场氧层上沉积s i p o s 层用以改善表面的电场分布，另外在顶层硅 中田科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 s o jr e s u 胙原理研宄及s o ll d m o s 研制 列于s o l 隔离技术而苦，情况则有所不同。当k 极电压升高时，n 漂移区p 阱结反向偏置，同时在埋氧层上界面形成空穴反型层，但这时两个耗尽区并未相 连。当k 极电压继续增加时，1 1 漂移区，p 阱结耗尽区扩展以至和底部的耗尽区相 连，反型层中的空穴将被强电场扫出而逐步使反型层消失。此时在n 漂移区这 种s o i 结构就和体硅结构相类似了。进一步提高k 极电压将使n 漂移区完全耗 尽。 对于体硅结构而言，底部耗尽区是n 外延区与轻掺杂的村底形成的p n 结产 生的，轻掺杂衬底承受了高的反向电压；而s o l 结构中底部耗尽层是由埋氧层 和n 漂穆区产生的，承受高电压的是埋氧层。 1 2 2s o i 耐压结构 虽然s o i 结构中1 1 漂移区也能完全耗尽，但是其表面电势的分布不如体硅 结构中均匀，表面电场较大，因此s o l 结构的耐压值较低。为了提高s o i 结构 的击穿电压，根据二维数值模拟和实验，己经提出了多种s o l 耐压结构。 f 1 ) 漂移区线性掺杂 m e r c h a n t 等采用漂移区掺杂浓度沿水平方向线性变化，而垂直方向浓度不 变，从而改善了表面电场的分布，提高击穿电压【2 6 0 ”。但是显然这样的杂质分布 在工艺上很难控制。 lum 图14 漂移区线性掺杂 ( 2 ) s i p o s ( s e m i i n s u l a t o rp o l y s i l i e o n ) 嬉构 此结构在场氧层上沉积s i p o s 层用以改善表面的电场分稚，另外在顶层硅 此结构在场氧层上沉积s i p o s 层用以改善表面的电场分稚，另外在顶层硅 中田科擘院上海微系统与信息技术研究所博士学位论主 第一章 与埋氧层之间同时也可引入s i p o s ，更加提高击穿电压f 2 8 - 3 1 1 。t o s h i b a 公司利用 这结构研制出了击穿电压高达1 2 0 0 v 的s o im o s f e t t 3 2 】。但是这种结构需要 在硅上直接沉积s i p o s ，易于造成表面污染，引起泄漏电流升高。而且由于s i p o s 的存在，降低了器件的开关速度。 s o u r c e o 砒t 聪黼捆睡豳豳黼睡隧i d r a i 1，1l n + p + n d f i 盘 f n + 昏阴b 日彤k l q 盒 s u b s t r a t e 图1 ，5s i p o s 结构示意图 ( 3 ) 图形化s o i 结构 此结构的特征在于漏端下埋氧层被去除，使碍耗尽区能够向衬底扩展，从而 n 漂移区的表面电场得以降低。同时低压的c m o s 电路仍旧在s o l 区域$ 1 1 4 - 3 3 , 3 4 1 。 但是直接制各图形化埋氧层的工艺还不成熟，而利用s o i 片子再进行选择性外 延则成本昂贵且工艺复杂。 图1 6 图形化s o i 结构示意图 中固料学院上海微拳统与信息技术研究所博士擘往论文 9 s o lr e s u r f 原理研究及s o ll d m o s 研制 ( 4 ) 沟槽型场氧结构 此结构的特点在于将场氧区在垂直方向上向漂移区扩展，因此相当于增加了 漂移区的长度，提高了击穿电压并且降低了开态电阻 3 5 , 3 6 1 。 9 t r e n c ho x i d e u 、 nd r i f t 捌艄d ! 搬 d e _ ：- ：- ：- ：s u b g t f a z t d - ：- ：- ：- ：- ：- ：- ：- ：t ： 图1 7 沟槽型场氧结构示意图 ( 5 ) 3 dr e s u r f 文献 3 7 】提出了一种新的r e s u r f 结构，如图1 8 所示。与常规的二维 r e s u r f 结构相比更易形成耗尽。虽然工艺较为复杂，但这种结构的击穿电压可 以高达6 0 0 v 量级。 图1 83 d r e s u r f 结构示意图 ( 6 ) 台阶状埋氧结构( b o s s ) b o s s ( b u r i e do x i d es t e ps t r u c t u r e ) 结构如图1 9 所示3 8 1 ，使用凹槽 l o c o s ( r e c e s s e dl o c o s ) $ 1 s d b ( s i l i c o nd i r e c tb o n d i n g ) 工艺制成，模拟表明， 1 0中田科学院上海微系统与信t - 技术研究所博士学位论史 第一章 该结构有效地减小了漏端电场，横向电场分布更均匀。n n n n 度为0 5u m ， 埋氧层和b o s s 均为1um ，漂移区和b o s s 长度分别为1 0 um 和5um ，漂移 区掺杂浓度2 4 e 1 6 c m 3 时，击穿电压可达到1 9 0 v 。 s o u r c e d r a i n n p n n b b 蛹密d ：l柏酯 图1 9 b o s s 结构示意图 ( 7 ) 台阶状场氧层结构 显然b o s s 结构在工艺上较难实现，因此j r o i g 等人提出了台阶状场氧层 结构【3 9 】。此结构在_ e z a 较为简单，可以获得2 0 0 v 击穿电压。 眦f fi 乡 n p n n + 埔州赍d ! 搿女澍e 1 2 3s 0 1 功率器件 1 1 0 台阶状场氧层结构示意图 在s o l 材料制备技术和涮压结构研究的基础上，已经开发了多种用于s o l p i c s